水利工程施工測量二

第1章緒論

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過本章的學(xué)習(xí),了解測量學(xué)的基本內(nèi)容與任務(wù)、地球的形狀和大小、測量常用坐標(biāo)系統(tǒng)、測量的基本工作和測量工作必須遵守的原則。1測量學(xué)的研究對象及水利工程測量學(xué)的任務(wù)

1.1.1測量學(xué)的研究對象及學(xué)科分類

測量學(xué)是研究地球及其表面的各種形態(tài)的學(xué)科，主要任務(wù)是測定地球表面的點位和幾何形狀，并繪制成圖，以及測定和研究地球的形狀和大小。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量學(xué)已發(fā)展為多個學(xué)科。按照研究對象和研究范圍的不同，測量學(xué)可劃分為以下幾個學(xué)科：(1)大地測量學(xué)(2)地形測量學(xué)(3)攝影測量學(xué)(4)工程測量學(xué)(5)制圖學(xué)

1.1.水利工程測量學(xué)的任務(wù)2水利工程測量任務(wù)1.1.2水利工程測量學(xué)的任務(wù)

(1)為水利工程規(guī)劃設(shè)計提供所需的地形資料，規(guī)劃時需提供中、小比例尺地形圖及有關(guān)信息以及進(jìn)行建筑物的具體設(shè)計時需提供大比例尺地形圖。

(2)在工程施工階段，要將圖上設(shè)計好的建筑物按其位置，大小測設(shè)于地面，以便據(jù)此施工，稱為施工放樣。

(3)在施工過程中及工程建成后的運行管理中，都需要對建筑物的穩(wěn)定性及變化情況進(jìn)行監(jiān)測——變形觀測，確保工程安全

1.2

測量學(xué)中確定地面點位置的方法

由測量學(xué)的定義可知，研究地球表面各種形態(tài)及服務(wù)于工程建設(shè),首先要測定地球表面的點位，就需要對地球的形狀和大小有一概略了解，并建立適當(dāng)?shù)拇_定地面點位的參照標(biāo)準(zhǔn)——坐標(biāo)系。1.2.1球的形狀和大小1.2.1.1大地水準(zhǔn)面和參考橢球假想有一個靜止的平均海水面，延伸至陸地下面形成一個封閉的曲面，這個曲面稱為大地水準(zhǔn)面(任一靜止的液體表面稱作水準(zhǔn)面)。

大地水準(zhǔn)面所包圍的形體稱為大地體，大地體就代表了地球的形狀和大小。

我們把選定了形狀和大小并在地球上定位的旋轉(zhuǎn)橢球稱為參考橢球。參考橢球的表面是一個規(guī)則的數(shù)學(xué)曲面，它是測量計算和投影制圖所依據(jù)的面。我們把選定了形狀和大小并在地球上定位的旋轉(zhuǎn)橢球稱為參考橢球。參考橢球的表面是一個規(guī)則的數(shù)學(xué)曲面，它是測量計算和投影制圖所依據(jù)的面。圖1—1大地水準(zhǔn)面

圖1—2參考橢球面1.2.1.2我國的大地坐標(biāo)系所使用的橢球建國初期，鑒于當(dāng)時的歷史條件，我國以前蘇聯(lián)選定的克拉索夫斯基橢球和普爾科夫天文臺為大地原點的橢球定位為依據(jù)，利用蘇聯(lián)境內(nèi)的三角鎖與我國境內(nèi)的綏芬河、呼瑪、吉拉林等處三角鎖聯(lián)測，并平差了我國東北部三角網(wǎng)，得出北京基線網(wǎng)點的坐標(biāo)，作為全國坐標(biāo)起算基礎(chǔ)，建立了我國的大地坐標(biāo)系，稱為”1954年北京坐標(biāo)系”。后來根據(jù)新的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該坐標(biāo)系所選的參考橢球面與我國范圍內(nèi)地表形態(tài)相差較大，1980年我國采用IUGG十六屆大會推薦的橢球，建立了我國自己的大地坐標(biāo)系，稱為“1980年國家大地坐標(biāo)系”1.2.2地面點位置的表示方法1.地心空間直角坐標(biāo)系

目前，衛(wèi)星大地測量的日益發(fā)展，常用地心空間直角坐標(biāo)來表示空間一點的地心空間直角坐標(biāo)系的原點設(shè)在地球橢球的中心O，用相互垂直的x、y、z三個軸表示，x軸通過起始子午面與赤道的交點，z軸與地球旋轉(zhuǎn)軸重合，形成右手坐標(biāo)系。如圖如圖1—3所示

圖1—3空間直角坐標(biāo)系2.地面點的大地坐標(biāo)系用地面點的大地坐標(biāo)系表示地面點的位置需要三個參數(shù)：大地經(jīng)度，大地緯度，大地高大地經(jīng)度L和大地緯度B表示地面點在參考橢球面上的二維投影位置，用大地高H表示地面點到參考橢球面的垂直距離，

如圖1—4所示圖1—4大地坐標(biāo)系

1.2.3二維坐標(biāo)系1.2．3．1平面直角坐標(biāo)在小范圍進(jìn)行測量工作時，可用水平面作為基準(zhǔn)面，平面直角坐標(biāo)系的原點以O(shè)表示(圖1—5)。通過O點的南北方向線為x軸(縱軸)，向北為正，向南為負(fù)；通過O點而垂直于X軸的東西方向線為Y軸(橫軸)，向東為正，向西為負(fù)。象限次序按順時針方向排列。為了避免測區(qū)內(nèi)各點的坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，通常將原點O選在測區(qū)西南角上，使地面各點都投影于第1象限內(nèi)。如圖1—5中，地面點A、B的位置分別用平面直角坐標(biāo)(xA、yA)、(xB、yB)表示；該兩點的坐標(biāo)之差稱為坐標(biāo)增量，以⊿x、⊿y表示。坐標(biāo)增量可以通過測量有關(guān)距離和角度進(jìn)行計算求得。

圖1—5平面直角坐標(biāo)2．3．2高斯斯平面直角坐標(biāo)標(biāo)在大范圍進(jìn)行測測量工作時，由由于水平面和水水準(zhǔn)面存在較大大的差異，所以以不能用水平面面代水準(zhǔn)面。應(yīng)應(yīng)將地面點投影影到橢球面上，，再按一定的條條件投影到平面面上，形成統(tǒng)一一的平面直角坐坐標(biāo)系。我國現(xiàn)現(xiàn)采用的是高斯斯—克呂格投影影方法，該方法法是按一定經(jīng)差差將地球橢球面面劃分成若干投投影帶，如圖1-6所示圖1—6高高斯平面直直角坐標(biāo)。再將每一帶帶投影到平平面上，以以中央子午午線的投影影為縱軸，，赤道線的的投影為橫橫軸，建立立統(tǒng)一的平平面直角坐坐標(biāo)系統(tǒng)。。如圖1-7所示圖1—7高高斯平面直直角坐標(biāo)系系統(tǒng)分帶時，既既要考慮投投影后長度度變形不大大，又要使使帶數(shù)不至至于過多以以減小換帶帶計算工作作，通常按按經(jīng)差6o或3o分為六度度帶或三度度帶。六度度帶自0o子午線起起每隔經(jīng)差差6o自西向東東分帶，將將整個地球球分成60個投影帶。。用第1、第2、第3、…、第60表示投影帶帶的帶號，，如圖1-8所示。三度度帶是在六六度帶的基基礎(chǔ)上分成成的，它的的中央子午午線與六度度帶的中央央子午線和和分帶子午午線重合，，即自東經(jīng)經(jīng)1．5o子午線起起每隔經(jīng)差差3o自西向東東分帶，將將整個地球球分成120個投影帶。。用第1、第2、第3、…、第120表示投影帶帶的帶號。。圖1----8橢橢球面分分帶示意圖圖六度帶中任任意帶的中中央子午線線經(jīng)度Lo為：式中，N為6o投影帶的帶帶號。如圖圖1-9所所示三度帶帶中任意帶帶的中央子子午線經(jīng)度度劃為Ll=3n式中，n為3o投影帶的帶帶號。如圖圖1-9所所示圖1—9高高斯平平面分帶示示意圖高斯平面直直角坐標(biāo)以以赤道為零零起算，赤赤道以北為為正，以南南為負(fù)高斯平面直直角坐標(biāo)以以赤道為零零起算，赤赤道以北為為正，以南南為負(fù).1.2.4高高程系1.絕對高高程地面點沿鉛鉛垂線方向向至大地水水準(zhǔn)面的距距離稱為絕絕對高程，，亦稱為海海拔。在圖圖1-10中，地面面點A和B的絕對高程程分別為HA和HB。我國規(guī)定以以黃海平均均海水面作作為我國的的大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面。圖1—10絕絕對高高程2.相對高高程地面點沿鉛鉛垂線方向向至任意水水準(zhǔn)面的距距離稱為該該點的相對對高程，亦稱為獨立立高程。在在圖1-10中，地地面點A和B的相對高程程分別為H‘A和H’B，兩點高程之之差稱為高高差，以符符號“h”表示。圖1—10中中，A、B兩點的高差差為：。。在測量工作作中，一般般采用絕對對高程，只只有在偏僻僻地區(qū)，沒沒有已知絕絕對高程點點或相對獨獨立的地區(qū)區(qū)時，才采采用相對高高程。1.3用水平面代代替水準(zhǔn)面面的限度在普通測量量中，當(dāng)測測區(qū)面積不不大時，又又可把球面面視為平面面，用水平平面代替水水準(zhǔn)面，使使計算和繪繪圖工作大大為簡化，，但是多大大范圍內(nèi)才才允許用水水平面代替替水準(zhǔn)面。。以下就討討論以水平平面代替水水準(zhǔn)面對水水平距離、、高差及角角度測量的的影響，從從而明確用用水平面可可以代替水水準(zhǔn)面的范范圍。1.4測測量量工作概述述1.4.1測量量的基本工工作在測量工作作中，地面面點的三維維坐標(biāo)(X，y，H)一般是間接接測出的。。設(shè)A、B、C為地面上的的三點(如如圖1-13所示)，投影到到水平面上上的位置分分別為a、b、c.如果A點的位置已已知，要確確定B點的位置，，需要確定定B點到A點在水平面面上的水平平距離DAB和B點位于A點的方位。。圖中ab的方向可用用通過點的的指北方向向與ab的夾角(水水平角)表表示，有有了DAB和，B點在圖中的的平面位置置b就可以確定定。由于A、B兩點的高程程不同，除除平面位置置外，還要要知道它們們的高低關(guān)關(guān)系，即A、B兩點的高程程HA、HB或A、B兩點間的高高差HAB，這樣B點的位置就就完全確定定了。如果果還要確定定C點在圖中的的位置c，則需要測量量BC在水平面的的水平距離離DBC及b點上相鄰兩兩邊的水平平夾角以及及Hc或hBC。1．對水平平距離的影影響如圖1—11所示，，A、B為地面上兩兩點，它們們在大地水水準(zhǔn)面上的的投影為a、b，弧長為D。在水平面上的投投影為aˊ、bˊ，其距離為Dˊ，兩者之差D即為用水平面代代替水準(zhǔn)面所產(chǎn)產(chǎn)生的誤差。設(shè)地球的半徑為為R，AB所對的圓心角為為"，則因為則有將tan按級數(shù)展開，并并略去高次項，，取前兩項得：：則△D=(1.1)以代人式(1．．1)，得(1.2)表示成相對誤差差為：(1.3)距離D(km)距離誤差D(cm)相對誤差△D/D距離D(km)距離誤差△D(cm)相對誤差△D/D10250.

812.81:1220001:20000050100102.7821.21:490001:12000表1—1用水平面代替水水準(zhǔn)面對距離的的影響圖1—11水平平面代替水準(zhǔn)面面對水平距離及高差的影影響2．對高差的影影響在圖1—11中中，A、B兩點在同一水準(zhǔn)準(zhǔn)面上，其高差差應(yīng)為零。B點投影在水平面面上得b′點，則bb′即為水平面代替替水準(zhǔn)面所產(chǎn)生生的高差誤差，，或稱為地球曲曲率的影響。bb′=△h(R+△h)化簡得：(1.4)D(m)1002005001000△h(mm)0.83.119.678.5表1—2用水平面代替水水準(zhǔn)面對高差的的影響第四節(jié)測測量工作概述述1．測量的基本工作作在測量工作中，，地面點的三維維坐標(biāo)(X，y，H)一般是間接測出出的。設(shè)A、B、C為地面上的三點點(如圖1-13所示)，投投影到水平面上上的位置分別為為a、b、c.如果A點的位置已知，，要確定B點的位置，需要要確定B點到A點在水平面上的的水平距離DAB和B點位于A點的方位。圖中中ab的方向可用通過過點的指北方向向與ab的夾角(水平角角)表示，有有了DAB和，B點在圖中的平面面位置b就可以確定。由由于A、B兩點的高程不同同，除平面位置置外，還要知道道它們的高低關(guān)關(guān)系，即A、B兩點的高程HA、HB或A、B兩點間的高差HAB，這樣B點的位置就完全全確定了。如果果還要確定C點在圖中的位置置c，則需要測量BC在水平面的水平平距離DBC及b點上相鄰兩邊的的水平夾角以及Hc或hBC。由此可知，水平距離、水平平角及高程是確確定地面點相對對位置的三個基基本幾何要素。。測量地面點的的水平距離、水水平角及高程是是測量的基本工工作。2．測量的基本本原則無論是測繪地形形圖還是施工放放樣測量，要在在某一點上測繪繪該地區(qū)所有的的地物和地貌或或測設(shè)建筑物的的全部細(xì)部是不不可能的。例如如圖1—14所所示，在A點只能測繪附近近的房屋、道路路等的平面位置置和高程，對于于山的另一面或或較遠(yuǎn)的地物就就觀測不到，因因此，必須連續(xù)續(xù)地逐個設(shè)站觀觀測。所以測量量工作必須按照照一定的原則進(jìn)進(jìn)行，這就是在在布局上“由整體到局部部”，在工作步驟上“先控制后碎部部”。即先進(jìn)行控制制測量，然后進(jìn)進(jìn)行碎部測量。。圖1--14控制測量包括平平面控制測量和和高程控制測量量，如圖1—14，先在測區(qū)內(nèi)部部設(shè)A、B、C、D、E，F(xiàn)等控制點連成控控制網(wǎng)(圖中為閉合多邊邊形)，用較精密的方方法測定這些點點的平面位置和和高程，以控制制整個測區(qū)，并并依一定比例尺尺將它們縮繪到到圖紙上，然后后以控制點為依依據(jù)進(jìn)行碎部測測量，即在各控控制點上測量附附近的屋角、道道路中心線和河河岸線的轉(zhuǎn)折點點，以及地貌的的特征點(山脊線、山谷線線的起點終點，，地貌方向及坡坡度變化點等)，對照實地情況況，按一定符